Зонная диаграмма биполярного транзистора в равновесном состоянии.

Зонная диаграмма биполярного транзистора в равновесном состоянии.

Так как в полупроводниковых областях нпн транзистора уровень Ферми является общим в биполярном транзисторе образуется два потенциальных барьера.

В эмитерном переходе образуется потенциальный барьер между эмиттером и базой высотой Q/Uk1.

В коллекторном переходе, между к и б, образуется потенциальный барьер высотой Q/Uk2.

В области базы, энергетические уровни идут с наклоном. Это свзяано с тем, что у большинства транзисторов, концентрация лигирующих примесей в базе у эмитерного перехода делают больше, чем у коллекторного. Такое неравномерное распределение примесей в базе создает внутреннее энергетичческе поле, котрое способствует перемещение носителей от эмиттерного перехода к коллекторному.

(РИСУНОК А)

Зонная диаграмма биполярного транзистора в активном режиме.

 

(РИСУНОК 2.5 Б) [см выше]

Рассмотрим зонную диаграмму биполярного транзистора в активном режиме. В активном режиме на эмитерный переход подается прямое смещение, а на коллекторный – обратное.

В активном режиме на эмитерный периход подается прямое смещение, а на коллекторный – обратное. Это приводит к тому, что потенциальный барьер уменьшается и становится равным Q*Uk1 – Uэ-б. При этом ширина эмиттерного перхедоа насколько уменьшается. Потенциальный барьер в коллекторном переходе при подаче на него обратного смещения – увеличивается и становится равным Q*Uk2+Uб-к. При подаче обратного – расширяется.

При подаче прямого смещения на эмиттерный переход потенциальный барьер в нем уменьшается и начинается инжекция электронов из эмиттера в базу. Для того, чтобы инжекция носителей в эмиттерном переходе была как можно более односторонней, концентрацию легирующей примеси в эмиттере делают значительно больше концентрации примесей в базе, при этом конентрация электронов инжектированных из эмиттера в базу будет значительно больше концентрации дырок, инжектированных из базы в эмиттер.

Электроны, инжектированные из эмиттера в базу движутся в базе от эмиттерного перехода к коллекторному, вследствие диффузии и дрейфа.

Диффузия возникает вследстивии того, что концентрацию электронов у эмиттерного перехода возрастает вследствии их инжекции из эмиттера.

Конуентрацию электронов у коллекторного перехода, напротив, падает, так как электроны захватываются полем обратно-смещенного коллекторного переода и выбрасываются в коллектор.

Схема включения биполярного транзистора в активном режиме.

Схема включения транзистора приведена на рис. 2.6. На переход эмиттер-база подается прямое смещение, а на переход база-коллектор - обратное.

Потенциальный барьер перехода эмиттер-база снижается на значение прямого напряжения и становится равным q(U_K1-U_ЭБ). При этом электроны инжектируются из эмиттера в базу. Для обеспечения максимальной односторонней инжекции электронов в базу, концентрацию доноров в эмиттере делают значительно больше концентрации акцепторов в базе N_ДЭ>>N_АБ.

Работа биполярного транзистора.

 

На переход эмиттер-база подается прямое смещение, а на переход база-коллектор - обратное.

Потенциальный барьер перехода эмиттер-база снижается на значение прямого напряжения и становится равным q(U_K1-U_ЭБ). При этом электроны инжектируются из эмиттера в базу. Для обеспечения максимальной односторонней инжекции электронов в базу, концентрацию доноров в эмиттере делают значительно больше концентрации акцепторов в базе N_ДЭ>>N_АБ.

Электроны инжектированные в базу двигаются к коллектору в результате диффузии и дрейфа.

Диффузия связана с повышением концентрации электронов в базе у эмиттерного перехода, тогда как у коллекторного перехода концентрация электронов уменьшается вследствии затягивания их полем в p-n-переход база-коллектор.

Поскольку толщина базы мала по сравнению с диффузионной длиной электронов, то практически все электроны доходят до коллекторного перехода и лишь незначительное их количество рекомбинирует. Коллектор собирает электроны инжектированные в базу.

Схема включения с ОБ.

 

В схеме с ОБ (рис. 2.7) база является общим электродом для входной и выходной цепи. Схема с ОБ обладает усилением по мощности и напряжению U_КБ>U_БЭ, но не обеспечивает усиление тока так как I_Э=I_К. Входное сопротивление схемы с ОБ мало и равно сопротивлению прямосмещенного перехода эмиттер-база. Для схемы с ОБ характерна заданная величина тока эмиттера.

Схема включения с ОЭ.

Наиболее распространена схема с ОЭ, в которой эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепи (рис 2.8)

Cхема с ОЭ обеспечивает усиление тока так как

I_Б=I_Э-I_K<<I_K=I_Э, (2.2.1)

и следовательно I_К>>I_Б и усиление напряжения, так как U_КЭ>U_БЭ. Входное сопротивление схемы с ОЭ значительно больше входного сопротивления схемы с ОБ и равно:

. (2.2.2)

Схема включения с ОК.

В схеме с ОК (рис. 2.9) коллектор является общим электродом для входной и выходной цепи. Так как I_Э>>I_Б, то схема с ОК обеспечивает усиление по току I_Э>>I_Б, но не дает усиления по напряжению. Схема ОК обладает высоким входным сопротивлением.

Выбор точки покоя.

Выбор точки покоя сводится к выбору тока коллектора I_КП и напряжения U_КП в режиме покоя, когда на вход усилителя не подается входной сигнал.

Для определения точки покоя используют нагрузочную прямую постоянного тока, описываемую уравнением (для схемы с ОЭ):

U_КЭ=E-I_КR₌, (3.2.1)

где Е- напряжение питания, R₌- сопротивление постоянному току, включенное в выходную цепь R₌=R_К+R_Э.

Нагрузочные прямые.

Для построения нагрузочной прямой постоянного тока на горизонтальной оси откладывают напряжение питания, а на вертикальной оси- ток равный E/R₌ и соединяют эти две точки.(рис. 3.4).

Точки пересечения нагрузочной прямой постоянного тока со статической выходной характеристикой для заданного тока или напряжения базы называется точкой покоя.

Нагрузочная прямая переменного тока описывается уравнением:

U_КЭ=U_КП-DI_КR_~, (3.2.2)

где DI_К- изменение тока коллектора, R_~- сопротивление переменного тока, включенное в выходную цепь. При R_~<R₌ нагрузочная прямая идет более круто по сравнению с нагрузочной прямой постоянного тока. Нагрузочные прямые переменного тока используют для расчета каскадов, работающих при большой амплитуде сигнала.

Стабильность рабочей точки.

Смещение рабочей точки вызывает изменение характеристик транзистора, так как они зависят от режима. Нестабильность рабочей точки определяется изменением следующих параметров: теплового тока DI_К0, напряжения на эмиттерном переходе DU_ЭБ, коэффициента усиления по току Db. Нестабильность параметров связана с изменением температуры и временным дрейфом.

Приращение коллекторного тока имеет вид:

DI_K= . (3.3.1)

Можно показать, что

I_K= , (3.3.2)

где R_ЭБ=R_Э+R_Б суммарное сопротивление в контуре эмиттер-база; R_Э и R_Б- эмиттерное и базовое сопротивления;

g_Б= - коэффициент токораспределения- показывает какая часть тока коллектора ответвляется в базу.

Коэффициент нестабильности.

Коэффициентом нестабильности называется величина:

S= . (3.3.3)

Изменения коллекторного тока будут тем меньше, чем меньше коэффициент нестабильноси.

При g_Б=1 S_min=a, а при g_Б=0 S_min=b.

Для получения большей стабильности необходимо стремиться к условию g_Б®1. Удовлетворительные результаты дают значения R_Э/R_Б=0.5-1, которым соответствует S=2-3.

Зонная диаграмма биполярного транзистора в равновесном состоянии.

Так как в полупроводниковых областях нпн транзистора уровень Ферми является общим в биполярном транзисторе образуется два потенциальных барьера.

В эмитерном переходе образуется потенциальный барьер между эмиттером и базой высотой Q/Uk1.

В коллекторном переходе, между к и б, образуется потенциальный барьер высотой Q/Uk2.

В области базы, энергетические уровни идут с наклоном. Это свзяано с тем, что у большинства транзисторов, концентрация лигирующих примесей в базе у эмитерного перехода делают больше, чем у коллекторного. Такое неравномерное распределение примесей в базе создает внутреннее энергетичческе поле, котрое способствует перемещение носителей от эмиттерного перехода к коллекторному.

(РИСУНОК А)